逆流板翅式换热器动态性能的建模与仿真

摘要：对间冷回热燃气轮机关键部件逆流板翅式换热器进行了动态性能的仿真研究 在考虑气体工质压缩性的基础上，根据换热器内部冷、热流体的压力、流量和温度的变化和冷热流道间隔板的热平衡，建立了逆流板翅式换热器的动态数学模型，在EASY5平台上搭建了逆流板翅式换热器的分布参数模型，并进行了动态的仿真试验计算。分析结果表明该逆流板翅式换热器模型较好地实现了对换热器内部流体流动和换热的模拟，可以作为部件模块，用来时间冷回热燃气轮机系统性能的仿真研究。

问冷回热燃气轮机是在简单循环的基础上，增加了压缩空气中间冷却器和尾气回热器后组成的复杂循环燃气轮机。这种燃气轮机可以在宽广的功率范围内表现出平坦的耗油率曲线，因此可以改善机组在部分工况下运行的经济性I1]。在WR-21燃气轮机中，中冷器和回热器都采用了逆流板翅式换热器l2 ；由于换热器的好坏直接影响到间冷回热燃气轮机的性能，因此对作为问冷回热燃气轮机关键技术之一的换热器的性能研究是分析问冷回热燃气轮机性能的基础。

通常换热器的建模总是根据质量、动量、能量守恒和热平衡建立一组非线性偏微分方程，采用这种方法求解条件苛刻，困难较大。本文通过对流体系统的分析引入了容积环节和阻性环节，并在这个基础上建立了一组以常微分方程为主的换热器动态数学模型，这样可以大大简化方程组的求解。结合功能强大的EASY5仿真软件，能够方便地实现对换热器内部流体流动和换热的模拟。计算结果分析表明所建立的换热器模型可以作为部件模块用来对间冷回热燃气轮机系统性能的仿真研究

l 数学模型

1．1 容性部件和阻性部件

间冷回热燃气轮机中流体系统的部件可以分为3大类：容性部件、阻性部件和容／阻性部件。容性部件主要体现为对流体的存贮作用(如气包容器)，忽略对流体的阻力作用，特性方程为：

式中：P为压力；r为时间；R为摩尔气体常数；T为温度；V为体积；△G为流量差。

阻性部件(如阀门)体现为对流体的阻力作用，忽略流体的容积后特性方程为：

式中：G为流量；A为截面积；d为当量直径；L为长度；，为沿程阻力系数；P密度；△P为压力差。容／阻性部件对流体同时表现出存贮和阻力，(如管道、换热器等)。

应用特性方程(1)和(2)可直接求解容性环节和阻性环节中流体的流动特性。

1．2 作为阻性和容性部件的换热器

本文对平直型翅片的逆流板翅式换热器(图1)建立了分布参数模型，模型忽略换热器与外部环境的热交换、流体的粘性耗散效应和纵向导热；并假定同一截面内流体温度、速度和压力相同，流体沿轴向一维水平流动，并无内部环流。

考虑换热器冷流或热流道上长度为△z的微元体(图2)，把它作为一个容性环节S和一个阻性环节R 串接来处理。微元体的进口压力和流量分别为Gi，Pi，出口压力和流量为Gi+1，Pi+1。联合容性和阻性部件的特性方程，再结合微元体内热量的增量等于外界与该微元体传递的能量差的守恒方程，建立